多电平技术及其在电力牵引中的应用

1、v多电平变换器v多电平变换器PWM 控制技术v多电平技术在电力牵引系统中的应用v结论一、多电平变换器4v两电平变换器不适合于高压大功率场合v一、半导体开关承受的关断电压等级受到限制虽然通过开关的串联方式可以提高变换器的电压等级，通过开关并联方式可以提高变换器的电流等级，但前者需要采取均压措施，后者需要采取均流措施，在实现上需要复杂的辅助电路，而且往往效果并不理想。两电平变换器两电平变换器5两电平变换器两电平变换器vNabae等人于20世纪80年代初提出多电平变换器的思想。多电平变换器主要采用器件箝位或输出串联等方式将低压的功率开关器件连接在一起， 实现了高电压、大容量。它的一般结构是由几个电平

2、台阶(典型情况是电容电压)合成阶梯波以逼进正弦输出电压。v多电平变换器相对传统两电平变换器具有如下优点：v1）每个功率管承受的电压应力大幅降低；v2）相同开关频率下，输出谐波含量大幅降低；v3）功率管开关损耗降低。v由于以上优点，多电平变换器在高压大功率场合得到越来越广泛的应用。v多电平变换器从目前所见到的主电路拓扑结构来看， 最终可归结为3种基本的拓扑结构：v二极管箝位型多电平变换器v级联多电平变换器v飞跃电容型多电平变换器三相五电平二极管箝位型逆变器v对这种类型的m电平三相电路，需直流分压电容(m-l)个串联，每桥臂主开关器件2(m-1)个串联，每桥臂的箝位二极管数量(m-1)(m-2)个

3、，每(m-l)个串联后分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行箝位。v二极管箝位多电平变换器的特点如下v优点：电平数越多，输出电压谐波含量越少v器件在基频下工作，开关损耗小，效率高v可控制无功功率流vback -to -back 连接系统控制简单v缺点：需要大量箝位二极管v用单个变换器难以控制有功功率流v存在电容电压不平衡问题三相级联五电平逆变器v由两个单相全桥电路级联而成v每个独立直流电源给一个单相全桥逆变器供电v 不同电平逆变器的交流电压串联v不再需要前种电路中的大量箝位二极管，但需要多个独立电源。具体来说，对这种类型的m电平三相电路，需要3(m -1)/2个独立电源，6(m-1)个主开关

4、器件，3(m-1)个分压电容。v优点：电平数超多，输出电压谐波含量越少v器件在基频下开通关断，损耗小，效率高v无需箝位二极管和电容，易于封装v基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟、易于模块化v可采用软开关技术，以避免笨重、耗能的阻容吸收电路v不存在电容电压平衡问题v缺点：需多个独立电源三相五电平飞跃电容逆变器v与二极管箝位多电平变换器不同，这种电路采用的是飞跨在串联开关器件之间的串联电容进行箝位的。该电路的电压合成更为灵活，即对于相同的输出电压，可以由不同的开关状态组合得到。这种开关组合的可选择性，为这种电路用于有功功率变换提供了可能性。对这种类型的m电平三相电路，需开关器件6(m-1

5、)个，直流分压电容3(m-1)个以及箝位电容3(m-l)(m-2)/2 个。v优点：电平数越多，输出电压谐波含量越少v器件在基频下开通关断，损耗小，效率高v可控无功和有功功率流，可用于高压直流输电v不同的开关组合，可得到电压平衡v缺点：需大量的箝位电容v用于有功功率传输时，控制复杂，开关频率高，开关损耗大v存在电容电压不平衡问题v所以其相对于前两种拓扑应用较少。v二、多电平变换器PWM 控制技术v对于传统两电平变换器的PWM 控制，其方案有许多种，从追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦，从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等。目前，常用的两电平PWM 算法有载波调制法、电压空

6、间矢量调制法、优化目标函数调制法等。v多电平变换器PWM 技术主要对两方面的目标进行控制：输出电压的控制，即变换器输出的脉冲序列在伏秒意义上与参考电压波形等效；变换器本身运行状态的控制，包括电容的电压平衡控制、输出谐波控制、所有功率开关的输出功率平衡控制、器件开关损耗控制等。v多电平变换器的PWM 控制方法主要有：载波PWM 方法、空间电压矢量(SVM)法和优化PWM方法等。v载波调制PWM控制技术是通过载波和调制波的比较，得到开关脉宽控制信号。v由于多电平变换器需要多个载波，因此在调制生成多电平PWM 波时有两类基本方法：v第一类方法，首先多个幅值相同的三角载波叠加，然后与同一个调制波比较，

7、得到多电平PWM 波，即载波层叠法。这类方法可直接用于二极管箝位型多电平结构的控制。v第二类方法，用多个分别移相、幅值相同的三角载波与调制波比较，生成PWM 波分别控制各组功率单元，然后再叠加，形成多电平PWM 波形，称为载波移相法，一般用在级联型结构、电容箝位型结构。v为实现控制目标和性能指标，如电容电压的平衡、优化输出谐波、提高电压利用率，开关管功率平衡等。解决途径主要有以下三方面：v通过多载波，即改变三角载波之间的相位关系，如各载波同相位、交替反相、正负反相、以及载波移相。v调制波上加入相应的零序分量v对于某些特殊的结构，如级联型结构、电容箝位型结构、以及层叠式多单元结构，这些结构当桥臂

8、上输出相同的电压时，可以有多个不同的开关状态组合对应，不同的开关状态组合对上述一些性能指标的影响是不同的，选择适当的开关状态组合就可以实现上述目标v多电平特定谐波消去法（SHEPWM）是以优化输出谐波为目标的优化PWM 方法，它过在预先确定的时刻实现特定开关的切换，产生预期的最优SPWM控制，以消除选定的低频次谐波。vSHEPWM一种基于傅立叶级数分解、计算得到开关时刻的PWM 方法。v从电动机的角度出发，以三相对称正弦电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们比较的结果决定逆变器的开关，形成PWM 波形。v把逆变器和电机看成一个整体来

9、处理，便于微机实时控制，并具有转矩脉动小，噪音低，电压利用高的优点，因此目前无论在开环控制系统还是闭环控制系统中均得到广泛应用。v多电平变换器的输出三相电压中包含非零序分量和零序分量。通常情况下零序分量对负载的运行性能没有影响，但是输出的零序分量不同时，逆变器输出的开关状态也不同，从而影响了多电平电路的运行状态和优化性能。v针对上述特点，可以将多电平变换器的PWM控制分为两个部分：输出电压的非零序分量控制，使输出的PWM 脉冲在伏秒平均意义上和给定的参考电压一致；对零序分量控制，实现逆变器本身的运行状态控制，以及其它性能指标的优化控制。v对多电平载波PWM方法和空间矢量PWM方法的研究可以看出

10、，这两类方法的思路和出发点不同，但最终都能实现很好的控制效果。由于这两种方法都是基于一个采样周期内的电压积分等效的思路，其控制本质是相同的。v二者可以得到严格的统一，而统一的桥梁正是零序电压。v两电平PWM的空间矢量方法向载波调制方法的统一：对于载波PWM方法，其调制波为三相正弦波， 当叠加适当的三相零序电压分量，就可以得到等效的空间矢量PWM输出。v借鉴两电平的结论，三电平空间矢量PWM也可以统一到载波调制方法当中。但是将三电平载波调制和空间矢间PWM联系在一起的零序电压与两电平里的结论不尽相同。采用60坐标变换方法，载波比较采用PD方式，可以得到三电平空间矢量和载波调制PWM之间的一般性的

11、数学描述。v三、多电平技术在电力牵引系统中的应用v 多电平变换器具有输出波形THD值小、器件电压应力低和系统EMI低等优点。v 应用领域从最初的DC-AC变换，如大功率电力机车电动机驱动，拓展到AC-DC变换，如电力系统无功补偿、有源滤波，到AC-DC-AC变换，如电力系统统一潮流控制器，再到DC-DC变换，如多电平PFC、高压大功率直流变换等。v 柔性交流输电、高压直流输电和高压大型电动机的变频调速是目前多电平变换器应用的主要领域。此外多电平变换器在UPS、新能源等领域也有所应用。v传统牵引供电系统存在以负序、无功和谐波为主的电能质量问题和机车过电分相问题，极大地限制了其在高速、重载铁路方面

12、的发展。为解决这些难题，提出了基于综合潮流控制器的同相供电系统方案。与传统牵引供电系统相比，同相供电可取消过分相装置；补偿负载无功和谐波，提高电能质量；补偿两臂有功电流差，解决不平衡问题；平衡牵引变两臂负荷，有效提高运能。v传统潮流控制器普遍釆用两电平电压源变换器，根本无法满足实际牵引负荷高电压、大容量的需求。v为了适应高压大容量牵引供电要求，降低开关器件应力，降低器件开关频率，减小器件开关损耗和输出电压值，该潮流控制器基于二极管箝位五电平结构。v五电平PFC由“背靠背”的二极管箝位五电平结构四象限电压源型变流器组成，两端口变流器通过四个直流电容耦合在一起。v针对五电平PFC传递有功时造成直流侧电容不平衡问题，采用了基于单级电容的辅助稳压电路。v同相模式下是单臂供电，假设相为供电臂；异相模式时为正常供电方式下的双臂供电，即、两臂同时为机车供电。v交流传动是我国铁道牵引动力发展的一个重要方向， 交一直一交变流器包括四象限整流器环节、中间直流环节和三相逆变器环节。v脉冲整流器作为动车组的电源侧变流器，可以提高电网功率因数、降低电网电流谐波含量。v三电平SVPWM逆变器把中间直流电压变换成三相交流电压，为异步牵引电动机提供可调频率和可调幅值的三相交流电源，同时通过调节三相输出电压波形控制牵引电动机的磁通和转矩。提高逆